(57)【要約】【課題】低温時において燃料電池の冷却水を排出する頻度を減らすとともに、燃料電池の凍結を防止することのできる燃料電池制御装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池制御装置３は、燃料電池２が下限温度以下のときには冷却水を排水し、下限温度よりも高く上限温度以下のときには燃料電池２を運転した場合の燃料電池の温度上昇分と、燃料電池２が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して燃料電池２の冷却水を排出するか否かを判定してから冷却水の排出を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池の制御を行う燃料電池制御装置であって、
前記燃料電池を運転した場合における前記燃料電池の温度上昇分と、前記燃料電池が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して前記燃料電池の冷却水を排出するか否かを判定する排水判定処理を行うことを特徴とする燃料電池制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池の温度が所定の下限温度以下のときには前記燃料電池の冷却水を排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池の温度が所定の上限温度以上のときには前記燃料電池の冷却水を排出しないことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池の温度上昇分は、前記燃料電池への負荷要求の履歴に基づいて算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
【請求項５】
前記排水判定処理は、燃料電池が発電を開始した後に行われることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を制御する燃料電池制御装置に係り、特に燃料電池の凍結を防止するために冷却水の排出を制御する燃料電池制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応によって反応させて起電力を発生させている。そして、この燃料電池における反応は発熱反応であるために、燃料電池には冷却水が循環されて燃料電池を冷却するように構成されている。
【０００３】
ところが、燃料電池の停止時に低温になると冷却水が凍結するので、冷却水の凍結を防止するための対策が必要であった。
【０００４】
そこで、このような燃料電池の低温停止時における冷却水の凍結を防止する燃料電池自動車の従来例として、例えば特許３４０７９１４号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００５】
この従来例では、燃料電池スタックを始動した後の暖機時間を短くするために低温停止時に冷却水を排出しておくようにしたものである。
【０００６】
また、低温時には燃料電池を始動させる直前に冷却水を排出する燃料電池スタックがあり、このような燃料電池スタックの従来例として、例えば特開２００３−２５７４６０号公報（特許文献２）が開示されている。
【０００７】
さらに、始動後の運転中における凍結を防止するために燃料電池スタックの温度を検知して冷却水を排出する燃料電池発電システムの従来例として、例えば特開２００４−２２４３６号公報（特許文献３）が開示されている。
【特許文献１】特許３４０７９１４号公報
【特許文献２】特開２００３−２５７４６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２２４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、停止時に始動時の温度を予測することは困難で、次回の始動時における温度が燃料電池の始動を困難にするほどの低温になるとは限らないにも関わらず、冷却水を排水してしまうという問題点があった。
【０００９】
さらに、特許文献３に開示された従来例では、燃料電池スタックの温度が所定温度以下になったときに冷却水を排出するので、冷却水を排出する頻度が増加してしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池制御装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池の制御を行う燃料電池制御装置であって、前記燃料電池を運転した場合における前記燃料電池の温度上昇分と、前記燃料電池が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して前記燃料電池の冷却水を排出するか否かを判定する排水判定処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池制御装置では、燃料電池を発電させた場合における燃料電池の温度上昇と、燃料電池の冷却水が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して冷却水を排出するか否かを判定するので、冷却水を排出する頻度をできるだけ少なく減らすことができるとともに、低温時における燃料電池の凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。図１は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１を制御して低温時における燃料電池の凍結を防止する燃料電池制御装置３と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から供給される水素ガスの流量を制御する水素流量制御弁５と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池２に供給する空気コンプレッサ６と、空気の圧力を検出する空気圧力センサ７と、空気の温度を検出する空気温度センサ８と、燃料電池２から排気されるガスの流量を制御するスロットル弁９と、燃料電池２から排気されるガスの圧力を検出する排気ガス圧力センサ１０と、燃料電池２に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１１と、循環する冷却水を放熱させるためにラジエタに冷却風を送風するラジエタファン１２と、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１３と、循環する冷却水を貯留する冷却水貯留タンク１４と、冷却水の流れを制御する制御弁Ｂ１〜Ｂ６とを備えている。
【００１４】
ここで、燃料電池２は、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて（１）及び（２）式に示す電気化学反応によって発電している。
【００１５】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
燃料電池制御装置３は、入力信号として燃料電池システム１の搭載された車両の運転者からの要求負荷や冷却水の温度、空気の温度、空気の圧力、排気ガスの圧力などが入力され、これら入力信号に基づいて燃料電池制御装置３は、燃料電池２を発電させた場合における燃料電池の温度上昇分と、燃料電池２の冷却水が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して燃料電池２の冷却水を排出するか否かを判定する排水判定処理を行う。そして、排水判定処理の結果に基づいて、出力信号として制御弁Ｂ１〜Ｂ６への制御信号や空気コンプレッサ６の回転数、水素流量制御弁５の制御信号、冷却水ポンプ１１の回転数、スロットル開度の制御信号などを出力する。
【００１６】
このように構成された燃料電池システム１において、水素タンク４から水素流量制御弁５を通じて燃料電池２のアノードに水素ガスが供給される。一方、酸化剤ガスである空気は、コンプレッサ６で加圧されて燃料電池２のカソードに供給される。このとき、コンプレッサ６に吸気される空気の圧力と温度が、空気圧力センサ７と空気温度センサ８によってそれぞれ検出されている。そして、燃料電池２の反応で消費されずに残ったガスやカソードの反応によって生成された水蒸気はスロットル弁９を通じて排気される。このとき排気ガス圧力センサ１０によって排気されるガスの圧力が検出されている。
【００１７】
また、冷却水は、冷却水貯留タンク１４から冷却水ポンプ１１によって冷却水路へ送出され、燃料電池２の熱を吸熱して冷却水路内を循環し、ラジエタファン１２から送られる冷却風によって放熱される。このとき燃料電池２における冷却水の温度が冷却水温度センサ１３によって検出され、検出された温度に基づいて燃料電池制御装置３が各制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御している。
【００１８】
次に、本実施形態の燃料電池制御装置３による冷却水の排水判定処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず運転開始信号によって燃料電池スタックの運転が開始されると（Ｓ２０１）、燃料電池２に要求される負荷をアクセル開度などから検知し（Ｓ２０２）、次に空気コンプレッサ６の回転数を制御して燃料電池スタックへ空気の供給を開始する（Ｓ２０３）。同時に水素流量制御弁５の開度を制御して燃料電池スタックへ水素の供給も開始し（Ｓ２０４）、こうして燃料電池スタックにおいて発電が開始される（Ｓ２０５）。
【００１９】
燃料電池スタックにおいて発電が開始された後に、燃料電池制御装置３は燃料電池スタックにおける冷却水の温度検知を開始し、冷却水温度センサ１３で検出された温度が所定の上限温度Ｔ１よりも高いか否かを判定する（Ｓ２０６）。この上限温度Ｔ１は冷却水の排出を行なわなくても冷却水が凍結しない温度であり、この上限温度Ｔ１よりも冷却水の温度が高い場合には冷却水の排出は行われない。
【００２０】
したがって、ステップＳ２０６において冷却水の温度が上限温度Ｔ１よりも高いときには、低温モードは終了して本実施形態の燃料電池制御装置３による排水判定処理は終了する。
【００２１】
また、ステップＳ２０６において冷却水の温度が上限温度Ｔ１以下のときには、ステップＳ２０７へ進む。そして、ＦＬＡＧ＝１であるか否かを判断する（Ｓ２０７）。このＦＬＡＧは後述するように冷却水が排出されるとＦＬＡＧ＝１に設定されるものである。
【００２２】
そして、ＦＬＡＧ＝１でないときには、次に冷却水の排水を実施するか否かを判定する排水判定処理を行う（Ｓ２０８）。この排水判定処理は、燃料電池スタックが運転開始直後に凍結あるいは、運転不可能となる可能性を計算して冷却水を排出する必要があるか判定するものである。
【００２３】
まず、図３に基づいて燃料電池スタックが凍結する条件を説明する。図３に示すように、所定の下限温度Ｔ２以下の低温Ａ領域では、燃料電池スタックは運転開始直後に凍結、あるいは運転不可能となる。また、所定の上限温度Ｔ１以上の高温Ｂ領域では常時運転が可能となる領域である。
【００２４】
一方、低温Ａ領域と高温Ｂ領域の間の温度領域では、燃料電池スタックの温度が高い程、そして燃料電池スタックの運転負荷、すなわち燃料電池スタックで生成される生成水の量が少ないほど、運転開始から凍結又は運転不能までの時間が長くなる傾向を有する。
【００２５】
したがって、燃料電池制御装置３は、低温Ａ領域の場合には冷却水を直ちに排出し、高温Ｂ領域の場合（Ｓ２０６においてＹＥＳ）には冷却水の排出を行わないようにする。そして、低温Ａ領域と高温Ｂ領域の間の温度領域では、燃料電池スタックの温度と負荷履歴に応じて冷却水を排出するか否かの判断を行う。冷却水を排出すると、燃料電池スタックの運転に制約がでるため、できるだけ排出しないことが望ましいが、従来では所定の上限温度Ｔ１以下になると冷却水を排出していたので、冷却水を排出する頻度が必要以上に多かった。しかしながら、本実施形態の燃料電池制御装置３では下限温度Ｔ２と上限温度Ｔ１の間の温度領域において、冷却水の排出が必要であるか否かを判定して必要な場合にのみ冷却水の排出を行うので、冷却水の排出頻度を減らすことができる。
【００２６】
ここで、下限温度Ｔ２と上限温度Ｔ１の間の温度領域における冷却水の排出を行うか否かの判断方法を説明する。この判断方法では燃料電池スタックの温度を目標温度に上昇させることが、予め決められた発熱量で可能かどうかを判定し、冷却水が入ったままでは不可能と判定された場合に冷却水を排出する。
【００２７】
ここで、予め決められた発熱量とは、燃料電池スタックの発熱量が生成水量に対応していることから決められる。すなわち、生成水がある一定値以上となり通路を塞ぐことから、生成水量の上限＝発熱量の上限値で設定できる。
【００２８】
具体的には、まず、今後の運転での温度上昇分△Taを（３）式により算出する。
【００２９】
△Ta＝（Q−Q1）/（Ca・Ma+Cb・Mb）              （３）
ここで、Q:低温発電可能発熱量、Q1：燃料電池スタック運転開始からの発熱量、Ca：スタック比熱、Ma:質量、Cb:冷却水比熱、Mb：質量であり、燃料電池スタック運転開始からの発熱量Q1は（４）及び（５）式により算出される。
【００３０】
（Ca・Ma+Cｂ・Mb）・△T（n）＝△Q(n)              （４）
Σ△Q(n)＝Q1                                      （５）
ここで、△T（n）：ｎステップでの温度上昇、△Q(n):ｎステップでの負荷（＝スタック発熱量）である。また、燃料電池スタックの運転開始からの発熱量Q1は、燃料電池スタックの発電量をモニターすることによって求めても良いし、運転者の負荷要求から計算した値でも良い。
【００３１】
そして、上述した計算で求めた今後の運転での温度上昇分△Taが、（６）式である場合に冷却水の排出を行わず、（７）式の場合に冷却水の排出を行うようにする。
【００３２】
△Ta＞(T0−T)                                    （６）
△Ta＜(T0−T)                                     （７）
ただし、T0：非凍結目標温度、T：ｎステップ目の温度である。すなわち、今後の運転による温度上昇分が非凍結目標温度までの温度差よりも大きい場合には冷却水の排出を行わず、小さい場合には冷却水を排出する。
【００３３】
このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２を運転した場合の燃料電池２の温度上昇分と、燃料電池２が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して、燃料電池２の冷却水を排出するか否かを判定している。
【００３４】
こうしてステップＳ２０８において冷却水を排出するか否かが判定され、冷却水を排出しないと判定されたときにはステップＳ２０６に戻って再び上述した処理を繰り返し行い、冷却水を排出すると判定されたときには燃料電池制御装置３は制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御して冷却水を冷却水貯留タンク１４に排出する（Ｓ２０９）。そして、冷却水の排出が終了すると（Ｓ２１０）、ＦＬＡＧ＝１に設定して（Ｓ２１１）ステップＳ２０６に戻って再び上述した処理を繰り返し行う。
【００３５】
また、ステップＳ２０７においてＦＬＡＧ＝１のときには、冷却水を再充填するか否かを判定する（Ｓ２１２）。この判定では、冷却水の温度が上限温度Ｔ１より高くなることを監視する。冷却水の温度が上限温度Ｔ１以下のときは冷却水の温度を継続的にモニタして、冷却水の温度が上限温度Ｔ１よりも高くなったときに燃料電池制御装置３は制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御し、冷却水ポンプ１１を駆動して冷却水を再充填する（Ｓ２１３）。
【００３６】
そして、冷却水の再充填が終了すると（Ｓ２１４）、低温モードを終了して本実施形態の燃料電池制御装置３による冷却水の排水判定処理を終了する。
【００３７】
このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２を運転した場合の燃料電池２の温度上昇分と、燃料電池が凍結しない温度である非凍結目標温度までの温度差とを比較して燃料電池２の冷却水を排出するか否かを判定するので、冷却水を排出する頻度をできるだけ少なく減らすことができるとともに、低温時における燃料電池２の凍結を防止することができる（請求項１の効果）。
【００３８】
また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２の温度が所定の下限温度以下のときには燃料電池２の冷却水を排出するので、燃料電池２が凍結する下限温度以下のときに速やかに冷却水を排出して燃料電池２の凍結を防止することができる（請求項２の効果）。
【００３９】
さらに、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２の温度が所定の上限温度以上のときには燃料電池２の冷却水を排出しないので、冷却水を排出したことによる燃料電池２の運転への制約をすることなく、燃料電池２の運転を実施することができる（請求項３の効果）。
【００４０】
また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２の温度上昇分を燃料電池への負荷要求の履歴に基づいて算出するので、凍結の原因となる燃料電池スタックにおける生成水の凍結を判定することができ、これによって燃料電池の凍結をより確実に防止することができる（請求項４の効果）。
【００４１】
また、特許文献２に開示された従来例では、始動直前に冷却水を排出するので、燃料電池の始動に要する時間が長くなってしまうという問題点があった。しかし、本実施形態によれれば、燃料電池が発電を開始した後（Ｓ２０５の後）に排水判定処理（Ｓ２０８）を行っているので、燃料電池の始動に要する時間を短くすることができる（請求項５の効果）。
【００４２】
以上、本発明の燃料電池制御装置について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
燃料電池システムを制御する燃料電池制御装置に係り、特に低温時における燃料電池の凍結を防止するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池制御装置による排水判定処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池制御装置によって冷却水を排出するときの温度領域を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  燃料電池制御装置
４  水素タンク
５  水素流量制御弁
６  空気コンプレッサ
７  空気圧力センサ
８  空気温度センサ
９  スロットル弁
１０  排気ガス圧力センサ
１１  冷却水ポンプ
１２  ラジエタファン
１３  冷却水温度センサ
１４  冷却水貯留タンク
Ｂ１〜Ｂ６  制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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